第二章光纤传输理论及传输特性.ppt

E-mail:shenjh@njupt.edu.cn 光纤通信系统 第二章 光纤传输理论及传输特性 在光纤通信系统中，光纤是光波的传输介质。光纤的材料、构造和传输特性对光纤通信系统的传输质量起着决定性的作用。 本章在介绍光纤光缆的结构和类型的基础上，分别用波动理论和射线光学理论对光纤中的模式和传光原理进行分析，并对光纤的衰减和色散等传输特性进行详细的介绍。 第二章 光纤传输理论及传输特性 2.1 光纤、光缆的结构和类型 2.2 电磁波在光纤中传输的基本方程 2.3 阶跃折射率光纤模式分析 2.4 单模传输 2.5 射线光学理论 2.6 光纤传输特性 2.1 光纤、光缆的结构和类型 2.1.1 光纤结构 2.1.2 光纤型号 2.1.3 光缆及其结构 2.1.1 光纤的结构 光纤的基本结构有以下几部分组成：折射率（n1）较高的纤芯部分、折射率（n2）较低的包层部分以及表面涂覆层。结构如图2-1所示。为保护光纤，在涂覆层外有二次涂覆层（又称塑料套管）。 图2-1 通信光纤及其基本结构 光纤的分类 按折射率分布 按二次涂覆层结构 按材料 按传导模式 1. 按纤芯折射率分布：阶跃折射率分布和渐变折射率分布 2 按光纤的二次涂覆层结构 紧套结构光纤 松套结构光纤 3. 按光纤主要材料 SiO2光纤* 塑料光纤 氟化物光纤 * SiO2是目前最主要的光纤材料 4. 按光纤中的传导模式* 单模光纤 多模光纤 * 传导模式的概念将在模式分析部分介绍 2.1.2 光纤型号 目前ITU-T规定的光纤代号有G.651光纤（多模光纤），G.652光纤（常规单模光纤），G.653光纤（色散位移光纤），G.654光纤（低损耗光纤），G.655光纤（非零色散位移光纤）。 根据我国国家标准规定，光纤类别的代号应如下规定： 光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，再以数字和小写字母表示不同种类光纤。见表2-1及表2-2。 表2-1 多模光纤类型 表2-2 单模光纤类型 2.1.3 光缆及其结构 光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。 由于通信光缆多是野外工作，会受到各种自然外力和人为外力的影响，还可能受到化学侵蚀，各种动物的伤害。在施工敷设的过程中，要受到弯曲、拉伸、扭曲形变。光缆的结构应能适应外界条件的要求，必须要有足够的机械强度并具有抗化学性。 为了实用，还要考虑到在光缆的安装和维护方面，应具有处理方便，接续操作方便等特点。 光缆的分类方法 按成缆光纤类型 多模光纤光缆和单模光纤光缆 按缆芯结构 中心束管、层绞、骨架和带状 按加强件和护层 金属加强件、非金属加强、铠装 按使用场合 长途/室外、室内、水下/海底等 按敷设方式 架空、管道、直埋和水下 光缆的结构（成缆方式） 层绞式 骨架式 中心束管式 带状式 光缆结构示意图 2.2 电磁波在光纤中传输的基本方程 为全面精确的分析光波导，可采用波动理论。本节从麦克斯韦方程组出发，推导出波动方程，然后对光纤进行分析。 需要指出的是，这里重点是理解分析和推导的思路和方法，而不是具体的过程。 2.2.1. 麦克斯韦方程组和波动方程 微分形式的麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场矢量。对于无源的，均匀的，各向同性的介质，麦克斯韦方程组可表示如下： （2-2） （2-3） （2-4） （2-5） 式中 为电场强度矢量， 为磁场强度矢量， 为电位移矢量， 为磁感应强度矢量，▽为哈密顿算符，“▽×”代表取旋度，“ ”代